Simulations thermique Suppresseur de paquet de la Ligne Moyenne Energie Spiral2

Transcription

1 Simulations thermique Suppresseur de paquet de la Ligne Moyenne Energie Spiral2 1

2 Contexte et problématique Le suppresseur de paquet est un équipement de la ligne de transport de faisceau Moyenne Energie (LME) du projet SPIRAL2. Il sert à sélectionner des paquets de particules : certains sont dirigeés vers l accélérateur LINAC, d autres sont déviés et envoyés vers un arrêt faisceau. Electrode Chambre à vide Aimants Circuit de refroidissement 2

3 Contexte et problématique Il est composé d un déviateur électrostatique pulsé et d un champ magnétique permanent dont les effets se compensent pour les paquets sélectionnés. Les autres paquets ne subissent que le champ magnétique et sont déviés sur un arrêt faisceau. Chaque électrode est constituée d une piste de cuivre en forme de méandre déposée sur une plaquette d alumine. La plaquette d alumine est posée (avec un espace éventuel appelé ici gap) sur un support en cuivre. 3

4 Mise en donnée 1 er calcul ØModélisation 4

5 Mise en données 1 er calcul Sous vide, que le gap soit 0 ou de quelques mm, la quantité de puissance dissipée à travers la face basse de l alumine est négligeable. Le refroidissement s effectue donc par les cotés de la plaque. 5

6 ØMatériaux Mise en donnée 1 er calcul ØChargement thermique & maillage ØH= 7400 W/m²/C ØMaillage 1100 hexaèdres 6

7 Résultats 1 er calcul Pourquoi le circuit de l électrode prototype a fissuré pendant les test alors que la température calculée est faible? calcul T max = 126C essai T= 120C Température calcul/essai cohérente 7

8 Résultat d essai Pourquoi le circuit de l électrode prototype a fissuré pendant les test alors que la température calculée est faible? 8

9 Mise en donnée 2 éme calcul Modélisation méandre et trous ØModélisation 9

10 ØMatériaux Mise en donnée 2 éme calcul ØMaillage tétraèdres 10

11 Mise en donnée 2 éme calcul ØChargement thermique 11

12 Résultats 2 éme calcul ØRésultats thermiques Pas d influence trou et pris en compte méandre Température de 120 C-130 C confortée 130 C<< T fusion du cuivre d environ 1000 C Conclusion Le pb n est pas thermique 12

13 Conclusion sur 2 ème modèle La zone de dégradation (Fusion? Sublimation?) est sans doute due à un défaut du dépôt cuivre dans les angles, non représentable dans la simulation. Ce défaut a pu engendré : soit une augmentation de sa résistance électrique (piste localement plus étroite ou moins épaisse), soit une diminution de la conductance thermique vers la céramique (diminution de la largeur de piste réellement en contact avec l alumine) soit les deux. Pour cette raison la forme des virages a été modifiée. 13

14 Mise en donnée 3 éme calcul Le comportement RF de la plaque n étant pas tout à fait celui attendu, plusieurs modifications géométriques ont été apportées pour essayer de corriger les aspects RF et de s affranchir des difficultés supposées du procédé de fabrication : Augmentation de l épaisseur de la plaque : 4.3 mm au lieu de 3 mm; Elargissement de la plaque : 66 mm au lieu de 60 mm Rayons à la place des angles vifs Positionnement des trous des vis en face des creux des meandres 14

15 Mise en donnée 3 éme calcul Une nouvelle modélisation 3D sous ANSYS WorkBench v13 a été réalisée. Maillage avec éléments hexaédriques de taille 2 mm. Nombre d éléments : Le même coefficient h=16300 W/m 2 K est appliqué sur les surfaces cylindriques ou se trouvent les tubes 15

16 Mise en donnée 3 éme calcul Les résultats en température : max de 77 C au centre de l électrode soit 35 % de moins que dans l analyse précédente. 16

17 Résultats 3 éme calcul Les résultats en contrainte VM : σ VM = 80 MPa sur la céramique pour une limite Rm=380 Mpa (max dans zone de fixations : non-représentatif). σ VM = 82 MPa sur le circuit en cuivre dans les rayons pour une limite Rm~200 MPa (pour Cuivre recuit à 100 C) 17

18 Conclusion Les calculs ont montré la possibilité de refroidissement latéral de la plaque mais n ont pas pu expliquer les zones de destruction (fusion ou sublimation on ne sait pas trop) locales du circuit en cuivre; Les modifications géométriques apportées sont favorables La réalisation de la piste du circuit doit être faite de manière soignée pour éviter zone d épaisseur local réduite. Un grand soin devra également être apporté lors du montage de la plaque céramique pour éviter des fissuration locales notamment dans les zones de fixations. Nous sommes en attente de nouveaux essais sur la nouvelle géométrie. 18